第3章 傳統(tǒng)傳感元件及檢測技術(shù)1-壓電式

第3章

傳統(tǒng)傳感元件及檢測技術(shù)傳統(tǒng)式傳感器電阻應(yīng)變式電容式磁電感式磁敏式壓電式3.6.1壓電效應(yīng)與壓電材料3.6.2壓電式傳感器工作原理與測量電路3.6.3壓電式傳感器應(yīng)用3.6壓電式傳感器?壓電式傳感器是一種典型的有源傳感器;?壓電效應(yīng)具有可逆性，也是一種典型的“雙向傳感器”。?材料受力變形時，其表面會有電荷產(chǎn)生而實(shí)現(xiàn)非電量測量。?特點(diǎn):

工作頻帶寬，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，工作可靠。?應(yīng)用范圍：各種動態(tài)力、機(jī)械沖擊、振動測量、生物醫(yī)學(xué)、超聲、通信、宇航等領(lǐng)域。3.6.1壓電效應(yīng)與壓電材料1、壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。壓電效應(yīng)演示:相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致伸縮現(xiàn)象。音樂賀卡的音樂聲利用了逆壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是可逆的

壓電元件可以將機(jī)械能電能也可以將電能機(jī)械能

壓電元件機(jī)械能電能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)2.壓電材料----石英晶體和壓電陶瓷?其特性：（1）壓電常數(shù)：是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，與壓電輸出靈敏度有關(guān)。（2）彈性常數(shù)：壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電元件的固有頻率和動態(tài)特性。（3）電性能（介電常數(shù)）：對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。（4）機(jī)械耦合系數(shù)：在壓電效應(yīng)中，轉(zhuǎn)換輸出能量與輸入能量之比的平方根，是衡量壓電材料機(jī)—電能量轉(zhuǎn)換效率的一個重要參數(shù)。（5）電阻：壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。（6）居里點(diǎn)溫度：指壓電材料喪失壓電特性的溫度。（7）時間穩(wěn)定性：指壓電特性不隨時間蛻變。壓電材料主要有三大類:1）壓電晶體(石英晶體)2）壓電陶瓷(多晶半導(dǎo)體)3）新型壓電材料1）單晶硅（壓電晶體）單晶硅具有優(yōu)良的機(jī)械和物理性質(zhì)。硅材料質(zhì)量輕，高的強(qiáng)度、密度比和剛度密度比。硅材料為立方晶體,是各向異性材料。單晶硅是具有很好的熱導(dǎo)性半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)良的電學(xué)性質(zhì)，其壓阻效應(yīng)取決于晶向.

單晶硅應(yīng)變靈敏系數(shù)比金屬的高1到2數(shù)量級。單晶硅傳感器制造工藝與硅集成電路工藝有很好的兼容性?？蓪?shí)現(xiàn)微型化低功耗，有利于提高傳感器的一致性可靠性和快響應(yīng)。天然形成的石英晶體外形石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體在振蕩電路中工作時，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。晶振多晶硅壓阻膜與單晶硅相比，其優(yōu)點(diǎn)是可在不同襯底材料上制作，如金屬材料襯底，而制備過程與常規(guī)半導(dǎo)體工藝相容，且無PN結(jié)隔離問題，因而有良好的溫度穩(wěn)定性。多晶硅壓阻膜應(yīng)變靈敏系數(shù)雖比單晶硅膜低，但仍比金屬的高一個數(shù)量級。用多晶硅壓阻膜可有效地抑制傳感器的溫漂，是制造低溫漂傳感器的好材料。2）多晶硅（壓電陶瓷）壓電陶瓷及其換能器外形

發(fā)射換能器：極化的壓電陶瓷在周期信號激勵下，產(chǎn)生伸縮振動，推動周圍媒介運(yùn)動。接受換能器：一般結(jié)構(gòu)為1/2波長振子極化的壓電陶瓷，在媒介的推動下，產(chǎn)生伸縮振動，產(chǎn)生電信號。3）高分子壓電材料

某些高分子材料如聚二氟乙烯(PVF2)和聚氯乙烯(PVC)等可以作為制作壓電元件的材料，這些材料不易破碎而且質(zhì)地柔軟，頻率響應(yīng)范圍寬、性能穩(wěn)定。高分子壓電薄膜及拉制

高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜可用于波形分析及報警的高分子壓電踏腳板

壓電式腳踏報警器高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭

（逆壓電效應(yīng)）3.壓電特性以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)的壓電傳感器是一種具有高內(nèi)阻而輸出信號又很弱的有源傳感器。在進(jìn)行非電量測量時，為了提高靈敏度和測量精度，一般采取多片壓電材料組成一個壓電敏感元件，并接入高輸入阻抗的前置放大器。3.6.2壓電式傳感器工作原理與測量電路1、工作原理及等效電路壓電器件從功能上講，是一個電荷發(fā)生器壓電器件從性質(zhì)上講，是一個有源電容器

當(dāng)壓電晶體片受力作用時，在晶體片的兩表面上出現(xiàn)等量的正、負(fù)電荷，晶體片的兩表面相等于一個電容的兩個極板，兩極板之間的物質(zhì)就相等于電容極板間的介質(zhì)，因而壓電晶體片在工作時就等效于一只平行板介質(zhì)電容。如圖所示，其電容量為ε—壓電材料的介電常數(shù)；A—壓電晶體片工作面的面積（m2）；

—極板間距，即晶體片厚度（m）。

如果施加于晶體片上的外力不變時，晶體片兩表面上的電荷又無泄漏，那么在外力繼續(xù)作用時，電荷數(shù)保持不變，而在外力作用消失時，電荷也隨之消失。故壓電式傳感器在工作時可以等效為一個與電容并聯(lián)的電荷源，如圖a）所示；同時壓電式傳感器也可看成為一電壓源，如圖b）所示。電壓U、電荷量q和電容量C

三者之間的關(guān)系為：開路狀態(tài)輸出電壓輸出電荷輸出端電壓U＝q/Ce電壓靈敏度Ku=U/F=q/Ce

F電荷靈敏度Kq=q/F=CeU/F輸出端電荷q=CeU顯然：Ku=Kq/Ce壓電式傳感器實(shí)際使用時總要與測試儀表或測量電路相連，因而還必須要考慮電纜連接電容Cc，前置放大器的輸入電阻Ri和輸入電容Ci以及壓電式傳感器絕緣電阻Ra，壓電式傳感器在測量系統(tǒng)中的等效電路如圖所示。2、壓電晶片的兩種連接方式

多片壓電材料的連接方式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種，如圖所示。+并聯(lián)+串聯(lián)并聯(lián)和串聯(lián)：并聯(lián)時串聯(lián)時設(shè)單片壓電元件的電容為，電荷為，電壓為，則當(dāng)兩片疊加后電荷靈敏度高電壓靈敏度高壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，因?yàn)榻?jīng)過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態(tài)的應(yīng)力。

并聯(lián)時，傳感器的電容量大、輸出電荷量大、時間常數(shù)也大，故適用于測量緩變信號及電荷量輸出信號。

串聯(lián)時，傳感器本身的電容量小、響應(yīng)快、輸出電壓大，故適用于測量以電壓作輸出的信號和頻率較高的信號。3、壓電式傳感器的測量電路

由于壓電式傳感器輸出電信號是很微弱的電壓或電荷信號，而且傳感器本身具有很大的內(nèi)阻，因而輸出能量相當(dāng)微小，這給后接電路的連接帶來了一定的困難，為此通常把傳感器的信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器，經(jīng)過阻抗變換后，再進(jìn)行一般的放大、檢波電路將信號輸給測試儀表或記錄儀。

根據(jù)前面的等效電路，它的輸出可以是電壓，也可以是電荷，因而其前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。1）電壓放大器（阻抗變換器）串聯(lián)輸出型壓電元件等效為電壓源，壓電效應(yīng)引起的電容量Ｃe很小，其電壓源等效內(nèi)阻很大，接成電壓輸出型測量電路時，要求前置放大器不僅有足夠的放大倍數(shù)，而且應(yīng)具有很高的輸入阻抗，如圖a、b所示為電壓放大器電路原理圖與其等效電路。Ra—壓電式傳感器絕緣電阻；

Ri—前置放大器的輸入電阻。式中Ce—壓電式傳感器內(nèi)部電容；

Cc—電纜連接電容；

Ci—前置放大器的輸入電容。電容

晶體受到x方向的壓力Fx作用，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。?qx=d11Fxd11-壓電系數(shù)，當(dāng)受力方向和變形不同時，壓電系數(shù)也不同，石英晶體的d11=2.31

10-12C/Nqx--垂直于X軸平面上的電荷Fx-沿X軸方向施加的作用力在晶體的線性彈性范圍內(nèi)，在x方向所產(chǎn)生的電荷qx與作用力Fx成正比，即若壓電元件受正弦力的作用，則其電壓為Ua=q/Ce

式中

Um—壓電元件輸出電壓幅值；

d—壓電系數(shù)。qx=d11Fx由此可得放大器輸入端電壓，復(fù)數(shù)形式為由于電壓放大器的增益K=1+R2/R1，則輸出電壓為

可見，電壓放大器的輸出電壓U0與壓電傳感器所受力f

之間具有一階高通濾波特性，其轉(zhuǎn)換靈敏度S為

由此可見，為了擴(kuò)展傳感器的工作頻帶的低頻端須減小ω0

，據(jù)可知需增大R或增大C，增大C時會降低系統(tǒng)的靈敏度S，所以一般采取增大R，故應(yīng)配置Ri很大的前置放大器。當(dāng)ω=0（即靜態(tài)力）時，放大器的輸入電壓Ui等于零，故壓電式傳感器不適合用于靜態(tài)力測量。連接電纜電容Cc改變會引起C改變從而引起靈敏度S改變，故在使用壓電式傳感器過程中，當(dāng)改變連接電纜時就必須對傳感器進(jìn)行重新標(biāo)定，這是采用電壓放大器的弊端。并聯(lián)輸出型壓電元件可以等效為電荷源。壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷量很小，達(dá)到ｐＡ級電流。因此在接成電荷輸出型測量電路時，也要求前置放大器不僅有足夠的放大倍數(shù)，而且還需要有極高的輸入阻抗。2）電荷放大器如圖所示，它是由一個反饋電容Cf和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成，圖中A為運(yùn)算放大器增益。電荷放大器等效電路由于運(yùn)算放大器具有高的輸入阻抗，其輸出電壓Uo為：通常A＝104～106，故可以看出，U0≠f(測量電容C)，使用電荷放大器時，電纜連接電容Cc對放大器的影響幾乎可以忽略不計?；诖?，電荷放大器的應(yīng)用日益增多。壓電傳感器可以直接用于測力或測量與力有關(guān)的壓力、位移、振動加速度等。3.6.3壓電式傳感器應(yīng)用壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異的特點(diǎn)。壓電式加速度傳感器在飛機(jī)、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特殊地位。加速度計壓電式傳感器也可以用來測量發(fā)動機(jī)內(nèi)部燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來測量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。1、變形方式厚度伸縮：縱向壓電效應(yīng)長度伸縮：橫向壓電效應(yīng)厚度切變：剪切壓電效應(yīng)長寬切變：面切壓電效應(yīng)體積壓縮：縱橫向壓電效應(yīng)2、組合形式結(jié)構(gòu)形狀分：圓形、長方形、環(huán)形、柱狀等元件數(shù)目分：單晶片、雙晶片和多晶片極性方式分：串聯(lián)、并聯(lián)3、基本結(jié)構(gòu)（1）基座和外殼（2）壓電元件（3）敏感元件（4）預(yù)載件（5）引線及插件4、應(yīng)用特點(diǎn)（1）靈敏度和分辨率高，線性范圍大，結(jié)構(gòu)簡單，牢固，可靠性好，壽命長（2）體積小，重量輕，剛度，強(qiáng)度，承載能力和測量范圍大，動態(tài)相應(yīng)頻帶寬，動態(tài)誤差?。?）易于大量生產(chǎn)，便于選用，使用和校準(zhǔn)方便，并適于近測，遙測5.壓電式傳感器的應(yīng)用1）壓電式測力傳感器圖所示的是壓電式單向測力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。傳感器上蓋為傳力元件，它的外緣壁厚為0.1mm~0.5mm，當(dāng)外力作用時，它將產(chǎn)生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。石英晶片采用xy切型，利用其縱向壓電效應(yīng)，通過d11實(shí)現(xiàn)力—電轉(zhuǎn)換。石英晶片的尺寸為φ8×1mm。該傳感器的測力范圍為0N~50N，最小分辨率為0.01N，固有頻率為50kHz~60kHz，整個傳感器重為10g。2）壓電式加速度傳感器圖所示的是一種壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、機(jī)座及外殼等組成。整個部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。當(dāng)加速度傳感器和被測物一起受到?jīng)_擊振動時，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度a的函數(shù)，即F=ma。

3）壓電式流量計利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進(jìn)行測量。其測量裝置是在管外設(shè)置兩個相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器，每隔一段時間(如1/100s)，發(fā)射和接收互換一次。流量顯示1789輸出信號換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射壓電式流量計根據(jù)發(fā)射和接收的相位差隨海洋深度深度的變化，測量聲速隨深度的分布情況。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。據(jù)這個關(guān)系，可精確測定流速。流速與管道橫截面積的乘積等于流量。此流量計可測量各種液體的流速，中壓和低壓氣體的流速，不受該流體的導(dǎo)電率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響。其準(zhǔn)確度可達(dá)0.5%，有的可達(dá)到0.01%。4）集成壓電式傳感器一種高性能、低成本動態(tài)微壓傳感器，產(chǎn)品采用壓電薄膜作為換能材料，動態(tài)壓力信號通過薄膜變成電荷量，再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。該傳感器具有靈敏度高，抗過載及沖擊能力強(qiáng)，抗干擾性好，操作簡便，體積小、重量輕、成本低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。典型應(yīng)用

·脈搏計數(shù)探測

·按鍵鍵盤，觸摸鍵盤

·振動、沖擊、碰撞報警

·振動加速度測量

·管道壓力波動

·其它機(jī)電轉(zhuǎn)換、動態(tài)力檢測等

脈搏計照片壓電薄膜式脈搏測試儀演示

對人體生理量測量，如PVF2血壓、心音、脈搏等體內(nèi)和體表檢測。利用壓電效應(yīng)產(chǎn)生電量進(jìn)行數(shù)字顯示。壓電式血壓傳感器（壓力壓電式傳感器）交通監(jiān)測：將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測、收費(fèi)站地磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機(jī)場滑行道等。將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設(shè)于柏油公路的路面下約5cm，可以用來測量車速及汽車的載重量，并根據(jù)存儲在計算機(jī)內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車的車型。

高分子壓電電纜的應(yīng)用演示振動指示器

(enginevibrationindicator)功用：測量發(fā)動機(jī)振動程度的儀表（g、mil密耳，1密耳＝10－3英寸）應(yīng)用舉例

位移y=Ymsinωt

速度v=dy/dt＝ωYmcosωt＝Vmsin（ωt＋π/２）

加速度a＝d２y/dt２＝-ω２Ymsinωt

＝Amsin(ωt＋π)式中：Ym—位移的最大值，稱為振幅；

Vm—振動速度幅值；Am—振動加速度幅值；

ω—振動角頻率。一、振動的概念

全振幅S＝２Ym

振動載荷系數(shù)

G＝Am/g＝ω２Ym/g＝ωVm/g

振動載荷系數(shù)與全振幅的關(guān)系是

G＝（ω２/g）（S/2）＝ω２S/2g加速度式測振原理（壓電式）傳感器（壓電式力傳感器）

a→U；指示器（毫伏表）

二、測量原理 當(dāng)傳感器感受振動時，質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力的作用。這樣，質(zhì)量塊就有